Développement d’une méthodologie par rayons X et laser impulsionnel pour l’évaluation des effets des radiations sur les composants semiconducteurs avancés

Methodology development using X-rays and pulsed laser for the evaluation of radiation effects in advanced semiconductor components

• Auteur / Autrice : Catherine Madjiguène Ngom
• Direction : Antoine Touboul, Fabio Coccetti
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Soutenance le 07/12/2021
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'électronique et des systèmes (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Wrobel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabio Coccetti, Frédéric Wrobel, Nathalie Malbert, Patrick Austin, Frédéric Saigné, Vincent Pouget, Moustafa Zerarka, Françoise Bezerra
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nathalie Malbert, Patrick Austin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rayonnements

Rayons X

Semiconducteurs

Mots clés libres

Radiation

Composant de puissance

Semiconducteur Grand gap

Laser impulsionnel

Rayons X pulsé

Modélisation

Radiation

Power devices

Wide band gap semiconductor

Pulsed laser

Pulsed X-Ray

Modeling

Résumé

Les nouvelles technologies de composant de puissance à base de semiconducteurs à grande bande interdite constituent une alternative intéressante aux technologies Silicium pour de nombreuses applications en raison de leur efficacité de conversion, en particulier dans le contexte de la transition énergétique. Les composants de type HEMT (High Electron Mobility Transistor) à base d’hétérojonction AlGaN/GaN sont particulièrement prometteurs pour des applications dans les domaines spatial, aéronautique et automobile. Or, les composants et systèmes électroniques exposés aux radiations de l’environnement radiatif naturel (ERN) sont susceptibles de connaitre différents types de défaillances induites par des effets singuliers ou des effets cumulatifs des radiations. L’évaluation des effets destructifs des radiations s’effectue classiquement par des essais sous faisceau de particules. Dans cette thèse, nous avons étudié la possibilité d’utiliser deux techniques de test complémentaires pour évaluer la sensibilité de composants commerciaux HEMT GaN aux effets singuliers des radiations. La première technique, bien connue pour les technologies silicium, consiste à reproduire l’injection de charge transitoire et localisée d’une particule par l’absorption photoélectrique d’une impulsion laser. La seconde technique, d’émergence récente, consiste à utiliser un faisceau de rayons X focalisés.Un état de l’art des effets des radiations sur les technologies GaN est tout d’abord présenté. Les composants d’intérêt de notre étude sont ensuite détaillés, caractérisés, et l’un est modélisé physiquement par éléments finis (TCAD).La technique de test par faisceau laser est ensuite adaptée aux spécificités des composants GaN sur substrat Si. Une modélisation de l’absorption multiphotonique exploitée est proposée, et les premiers résultats expérimentaux d’injection de charge par la face arrière dans ce type de composant par absorption 3-photons sont présentés. Ils démontrent la capacité du test laser à induire des évènements non-destructifs et destructifs dans ces composants avec une excellente résolution spatiale permettant d’envisager l’analyse des mécanismes de collection de charge et de défaillance dans ces composants.La technique de test par faisceau de rayons X focalisés est tout d’abord explorée par une modélisation à l’aide de GEANT4. Les résultats issus d’une première campagne expérimentale menée à l’ESRF sont présentés, incluant l’observation d’un évènement destructif. Ils permettent d’identifier les possibilités et limitations actuelles de la technique.Enfin, les résultats précédents sont confrontés à des résultats issus de tests sous ions lourds. Cette comparaison met en évidence des points de convergence et des différences propres à chaque technique. Une méthodologie de choix de la technique de test la mieux appropriée en fonction des attentes est proposée et des perspectives de travail sont identifiées pour poursuivre la maturation des techniques complémentaires étudiées.

New power devices technologies based on wide bandgap semiconductors constitute an interesting alternative to Silicon technologies for many applications due to their conversion efficiency, in particular in the context of the energy transition. HEMT (High Electron Mobility Transistor) type components based on AlGaN/GaN heterojunction are particularly promising for applications in the space, aeronautics and automotive fields. However, electronic devices and systems exposed to radiation from the natural radiative environment (ERN) are likely to experience different types of failures induced by radiation single event effects or cumulative effects. The evaluation of the destructive effects of radiation is conventionally carried out by particle beam tests. In this thesis, we investigated the possibility of using two complementary test techniques to evaluate the sensitivity of commercial HEMT GaN devices to radiation single event effects. The first technique, well known for Silicon technologies, consists of reproducing the transient and localized charge injection of a particle by the photoelectric absorption of a laser pulse. The second technique, which has recently emerged, consists of using a beam of focused X-rays.A state of the art of the radiation effects on GaN technologies is first presented. The devices of interest in our study are then detailed, characterized, and one of them is physically modelled by finite element (TCAD).The laser beam test technique is then adapted to the specificities of GaN on Si substrate devices. A modelling of the multiphoton absorption exploited is proposed, and the first experimental results of backside charge injection in this type of component by 3-photon absorption are shown. They demonstrate the ability of laser testing to induce non-destructive and destructive events in these devices with excellent spatial resolution allowing the analysis of charge collection and failure mechanisms in these components to be considered.The focused X-ray beam test technique is first explored by modelling using GEANT4. The results of a first experimental campaign conducted at the ESRF are presented, including the observation of a destructive event. They allow identifying the current possibilities and limitations of the technique.Finally, the previous results are compared with results from heavy ion tests. This comparison highlights points of convergence and differences specific to each technique. A methodology for choosing the most appropriate test technique according to expectations is proposed and work perspectives are identified to continue the maturation of the complementary techniques studied.